復合線性膠壓裂液性能評價與現場應用*

萬青山，聶小斌，陳麗艷，李婷婷，扎克堅

（1.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆礫巖油藏實驗室，新疆克拉瑪依 834000）

線性膠壓裂液屬于水基壓裂液中的一種。在頁巖氣體積壓裂施工作業中，對預測的天然裂縫發育井段，可在前置液階段即注滑溜水作業前采用適量的膠液造縫［1-2］。膠液的類型通常選用水溶性線性高分子聚合物增稠劑添加交聯劑等輔劑組成線性膠壓裂液。線性膠壓裂液具有低傷害、低摩阻、易返排等優點。目前，隨著頁巖氣儲層勘探開發深度的不斷增加，體積壓裂施工所遇地層壓裂溫度隨之升高，造成線形膠壓裂液的黏度急劇下降和攜砂能力的大幅降低［3-7］。傳統的方法只能通過提高稠化劑的用量來彌補溫度升高帶來的負面影響，導致壓裂液成本增加、流動摩阻增大以及壓裂施工困難等［8］。

本文依據部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）、多羥基醇弱凝膠的形成原理，分別合成有機硼、鋯交聯劑，并將二者按照優選比例混合形成有機硼/鋯復合交聯劑（FHBZ-1）。將FHBZ-1 與HPAM 增稠劑、復合多羥基醇及其他輔劑配制成LG-2 線性膠壓裂液。評價了LG-2 線性膠壓裂液在60～130 ℃的交聯性能、耐溫耐剪切性能及破膠性能等。基于FHBZ-1復合交聯劑制備的LG-2線性膠壓裂液體系在西部WY-8頁巖氣井取得了良好成效。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

氧氯化鋯、乳酸、丙三醇、三乙醇胺、硼砂、甘露醇，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；氫氧化鈉、復合多羥基醇（CPA-1），分析純，國藥集團化學試劑有限公司；部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質量約800萬，水解度25%，愛森（中國）絮凝劑有限公司；氟碳類助排劑（ZP）、陽離子聚合物類黏土穩定劑（NW），中原石油助劑廠；破膠劑過硫酸銨（APS），分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

Haake MARS Ⅲ型流變儀，德國Thermo Fisher公司；IKA RW20 Digital 數顯型頂置式機械攪拌器，德國IKA公司；DV2T型旋轉黏度計，美國Brookfield公司。

1.2 實驗方法

（1）有機硼/鋯交聯劑的制備

將6 g 氧氯化鋯加入100 mL 水中，待水浴溫度達到75 ℃時，依次將5 g 丙三醇、1 g 乳酸和24 g 三乙醇胺滴加至燒瓶中，至溶液澄清后持續攪拌反應2 h，得到的無色透明黏稠狀液體即為有機鋯交聯劑。將硼砂、氫氧化鈉、丙三醇與水的混合溶劑（體積比為1∶3）、甘露醇按質量比18∶2∶64∶16 共100 g混合均勻后倒入燒瓶中，攪拌至全溶，注意待硼砂完全溶解后，方可加入甘露醇。升溫至85 ℃反應5 h，即可得有機硼交聯劑。將上述有機鋯及有機硼交聯劑按照體積比1∶2 混合均勻后得到復合交聯劑FHBZ-1。

（2）LG-2線性膠壓裂液的配制

稱取一定量的水加入到燒杯中，將機械攪拌器的轉速調節至800 r/min，緩慢加入HPAM 粉體，持續攪拌2 h使其完全溶解，避免形成“魚眼”。在緩慢攪拌下依次加入復合多羥基醇、助排劑ZP及黏土穩定劑NW，分散均勻后便得到線形膠壓裂液基液。基液配方為3 g/L HPAM+5 g/L CPA-1+0.5 g/L ZP＋3 g/L NW。然后，向基液中加入一定量的復合交聯劑FHBZ-1，邊攪拌邊觀察壓裂液的成膠情況，以旋轉黏度計測定的壓裂液黏度值不再明顯變化的時間為交聯時間，此時的體系即為LG-2線性膠壓裂液。

（3）壓裂液性能測定方法

按照石油天然氣行業標準SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》，采用流變儀表征壓裂液的耐溫與抗剪切性能。①耐溫性測試為不同交聯劑加量下對應的峰值黏度，及170 s-1下剪切2 h后的凍膠黏度仍大于150 mPa·s 時對應的最高溫度。選取的150 mPa·s 作為工程經驗數值，一般當凍膠黏度不小于該數值時，說明凍膠仍有較好的懸浮壓裂用石英砂的能力。②恒溫耐剪切性能：測定膠液完全交聯后在相應溫度點的耐剪切性能。在某固定溫度下，保持剪切速率（170 s-1）恒定，測試剪切90 min后樣品的表觀黏度。

2 結果與討論

2.1 線性膠壓裂液性能評價

2.1.1 交聯性

FHBZ-1 復合交聯劑結合了硼、鋯絡離子對HPAM 的交聯作用［9-11］。在有機硼交聯劑作用過程中，緩慢產生的硼酸根離子B（OH）4-會與基液分子中的順式鄰位羥基作用，形成三維網狀凝膠；有機鋯交聯劑則通過Zr4+在一定pH 值的水溶液中經過絡合、水解、羥橋作用形成多核羥橋絡離子，然后與順式鄰位羥基產生交聯形成凝膠。在有機硼/鋯復合交聯體系線形膠壓裂液LG-2中，通過Zr4+和膠粒間的絡合鍵將硼膠粒結合，使交聯密度進一步提高，交聯強度增強，從而提高凝膠的耐溫性及抗剪切性。

在25 ℃下，向LG-2線性膠基液中加入FHBZ-1交聯劑。FHBZ-1交聯劑加量對LG-2線性膠壓裂液性能的影響如表1 所示。LG-2 線性膠壓裂液在交聯比（基液與交聯劑的質量比）為100∶1.2～100∶2.0范圍內的交聯性能較好，形成的凝膠挑掛性較好。隨著FHBZ-1 交聯劑在LG-2 線性膠基液中的加量逐漸增大，LG-2 線性膠壓裂液的交聯時間逐漸縮短，并具有良好的膠凝強度。這主要是由于LG-2線性膠壓裂液體系中交聯劑FHBZ-1的加量影響了解離的B（OH）4-及Zr4+的量。FHBZ-1 加量越大，在LG-2 線性膠液中越容易形成更多的交聯位點。在加快交聯作用的同時，也使最終形成的線性膠凝膠強度大大增加。

表1 交聯劑加量對LG-2線性膠壓裂液性能的影響

2.1.2 耐溫耐剪切性

FHBZ-1與LG-2線性膠基液中的聚合物高分子鏈發生交聯的主要是B3+［12］。當發生強剪切時，鍵的斷裂應發生在膠粒上的B3+與聚合物的絡合鍵上，剪切變弱或消失后又可重新交聯，克服了單一Zr4+耐剪切性差的問題，同時提高了交聯效率。向LG-2線性膠基液中加入5 g/L FHBZ-1，在110 ℃、170 s-1恒速剪切120 min 的條件下評價其恒溫耐剪切性能，并同加入單一有機鋯交聯劑的HPAM 凝膠體系（3 g/L HPAM+5 g/L 有機鋯交聯劑+0.5 g/L ZP＋3 g/L NW）對比，結果如圖1 所示。隨著溫度的上升，LG-2 線性膠液在約3 min 時出現黏度的最大值（412 mPa·s），而HPAM/有機鋯交聯凝膠黏度的最大值為172 mPa·s，顯示了復合凝膠體系的強交聯性。LG-2 膠液和HPAM/有機鋯交聯凝膠的最終黏度分別為103 mPa·s 和48 mPa·s，表明有機硼/鋯交聯HPAM/多羥基醇復合膠液體系的耐剪切性良好，保證了LG-2 線性膠在高溫地層進行壓裂作業的可行性。

圖1 LG-2線性膠壓裂液與HPAM/有機鋯交聯劑凝膠體系恒溫耐剪切性能對比

在90～130 ℃下考察FHBZ-1 交聯劑加量對LG-2線性膠壓裂液耐溫性能的影響，結果如表2所示。隨著FHBZ-1 交聯劑在LG-2 線性膠基液中的加量逐漸增大，LG-2線性膠壓裂液的峰值黏度迅速增加，呈現出良好的膠凝強度。但是，LG-2 線性膠壓裂液的耐溫性反而呈現先增加后減小的趨勢。其中，在FHBZ-1交聯劑加量為12 g/L時，LG-2線性膠壓裂液的峰值黏度為448 mPa·s，按照石油天然氣行業標準SY/T 5107—2016 測得此加量下LG-2的耐溫性可達130 ℃。這是由于隨著FHBZ-1 交聯劑的增加，線性膠液逐漸變得均一、連續、致密，并從液態逐漸過渡到三維網狀結構。由于交聯作用形成的三維網狀結構使得分子鏈的運動受到極大的束縛，網絡結構密度增大，LG-2 線性膠壓裂液體系中凍膠結構越趨向于穩定狀態。此時，線性膠壓裂液體系中被束縛包裹的水分子越來越多，空隙區域越來越少，從而賦予了LG-2 凍膠體系更高的強度、剛性、熱穩定性及耐剪切性。但是，隨著FHBZ-1 交聯劑加量的進一步增大，交聯反應速率加快，LG-2線性膠壓裂液體系中極有可能存在不均勻交聯情況，從而使形成的三維結構凍膠不夠均一，形成的網狀結構不能有效地傳遞和抵抗應力作用，因此凍膠的耐溫耐剪切能力隨之下降。當交聯劑加量增至20 g/L 時，凍膠的峰值黏度上升，但在最高耐受溫度下剪切后的最終黏度迅速下降。通常綜合考慮交聯后LG-2線性膠壓裂液有足夠的凝膠強度進行壓裂、攜砂作業并兼顧其耐溫性能，FHBZ-1交聯劑在LG-2線性膠壓裂液中的最佳加量為12 g/L。

表2 FHBZ-1交聯劑加量對LG-2線性膠壓裂液耐溫性能的影響

2.1.3 破膠性能

在60 ℃及90 ℃條件下分別對配比為基液+12 g/L FHBZ-1 的LG-2 線性膠壓裂液進行恒溫破膠實驗，結果如圖2 所示。由圖2 可見，在60 ℃及90 ℃時，加入0.5 g/L 破膠劑APS 的LG-2 線性膠壓裂液30 min 內均能破膠，在180 min 內破膠液的黏度分別為2、3 mPa·s，滿足壓裂后快速破膠返排的要求。經測試，LG-2線性膠壓裂液在60、90 ℃下破膠180 min 后的殘渣含量分別約為16、12 mg/L；而羥丙基胍膠/有機硼交聯體系的破膠殘渣含量一般為150～300 mg/L，LG-2 線性膠的破膠殘渣含量為其1/10～1/20，顯示出較好的低傷害性能。

圖2 LG-2線性膠壓裂液的破膠性能

2.2 LG-2線性膠壓裂液的現場應用

在LG-2線性膠基液中分別加入12 g/L FHBZ-1和0.5 g/L APS，其綜合性能評價結果如表3所示。

表3 LG-2線性膠壓裂液的綜合性能評價

WY-8 頁巖氣井最高施工壓力為82 MPa，最高施工排量約11 m3/min。其中第6 段水力壓裂作業中為實現預先造縫，于滑溜水壓裂液加入前泵入LG-2線性膠壓裂液凍膠。開始注入LG-2線性膠壓裂液至134 m3，其中最大排量為11.2 m3/min，最高砂濃度為106 kg/m3，施工過程中壓力平穩，在75～82 MPa 小幅波動，無異常破膠、沉砂等。施工結束后，測試返排液黏度小于5 mPa·s。現場試驗結果表明LG-2線性膠壓裂液體系具有優良的造縫攜砂性能。

3 結論

有機硼/鋯復合交聯劑FHBZ-1 與增稠劑HPAM、復合多羥基醇及輔劑組成的LG-2線性膠壓裂液具有較好的耐溫耐剪切性能。在60 ℃及90 ℃下，LG-2線性膠壓裂液破膠迅速，殘渣量小，對儲層傷害低。在WY-8 井頁巖氣井的現場應用效果較好，最大排量為11.2 m3/min，最高砂濃度為106 kg/m3，施工結束后的返排液黏度小于5 mPa·s。